Masa Ziemi. Jak ją obliczyć?
Ustalenie masy Ziemi może wydawać się trudnym zadaniem. Okazuje się jednak, że jest to jak najbardziej możliwe, nawet dosyć proste, a zawdzięczamy to prawu grawitacji Newtona. Dawniej masa ta zmieniała się dość dynamicznie, obecnie nie obserwujemy już tak spektakularnych zmian, jednak mimo to wiadomo, że do nich dochodzi. Jak ustalić masę Ziemi? Ile waży nasza planeta? Dlaczego jej waga się zmienia? Oto najważniejsze informacje, którą mogą przydać się na lekcjach fizyki.
1. Ile waży Ziemia?
Pierwszych obliczeń masy Ziemi dokonał szkocki astronom Neville Maskelyne w 1774 roku. Zgodnie z wynikami jego obliczeń masa naszej planety wynosi 5,879 ton. Obecnie uważa się, że masa Ziemi w kg wynosi 5,972, co oznacza, że w pierwszych obliczeniach astronom pomylił się o około 100 ton.
2. Jak obliczyć masę Ziemi?
W jaki sposób możemy obliczyć masę Ziemi? Jest to możliwe po odkryciu prawa grawitacji przez Newtona. Prawo to stwierdza, że dwa ciała przyciągane są do siebie siłą, która zależy od ich masy oraz odległości między nimi.
Masę Ziemi obliczamy zatem grawitacyjnie. Im większe są badane obiekty, tym siła która przyciąga je do siebie, także jest większa. W pierwszej kolejności musimy określić wielkość siły przyciągania, która powstaje między dowolnymi dwiema masami.
Możemy zobrazować to w następujący sposób: wyobraźmy sobie wagę z równymi ramionami. Na każdej szali umieszczamy ładunki o identycznej masie, przez co saldo osiągnie równowagę. Gdy weźmiemy trzeci ładunek, o znanej nam również masie i umieścimy go pod jedną szalą, to wzajemne przyciąganie spowoduje, że przedmiot na jednej z szalek obniży się.
Aby równowaga została zachowana, powinniśmy dodać mierzalny ładunek pod drugą salkę. W taki oto sposób, znając te wartości, obliczymy masę danego przedmiotu.
W dalszej kolejności możemy użyć równania:
K = G (M1 x M2 / R2)
gdzie:
F = siła grawitacji między nimi; G - stała = + +6,67259 x 10 -11 m З / kg 2 . -M1 i M2 przeciągają masу; R = odległość między nimi.
Załóżmy, że jedna z ww. mas to Ziemia, druga zaś to kilogramowa kula. Siła pomiędzy nimi wynosi 9,8 kg x m/s2. Promień Ziemi = 6400000 m. Gdy dodamy te wartości do wzoru otrzymamy:
6 x 10²⁰ kg
3. Dlaczego waga Ziemi się zmienia?
Ziemia każdego roku traci na masie. Dlaczego tak się dzieje? Z pewnością nie mają na to wpływu ludzie, ponieważ masa naszej planety nie zmienia się bez względu na to, jak dużo surowców mineralnych z niej wydobędziemy, czy też ile paliw kopalnych zużyjemy w transporcie. Z wyjątkiem sond kosmicznych wszystko, co wydobędziemy i wykorzystamy, w dalszym ciągu pozostanie na Ziemi.
Każdego roku w atmosferę planety wpada około 45 tysięcy ton materiałów z kosmosu (meteoryty, pył), a jednocześnie ulatują w kosmos z Ziemi takie pierwiastki jak hel (około 1600 ton) i wodór (około 95 tysięcy ton).
Ostatecznie, co roku Ziemia traci ze swojej masy około 54 tysięcy ton. Taka zmiana nie jest jednak odczuwalna przez mieszkańców planety, nie ma również większego wpływu na jej ruch orbitalny.